江蘇海洋預報制作平臺開發和應用

奚子惠,王紫玄,劉 明

(江蘇省海涂研究中心,江蘇 南京 210013)

0 引言

海洋是高質量發展戰略要地,建設海洋強國是中國特色社會主義事業的重要組成部分。江蘇作為海洋大省,也是全國社會、經濟和文化最為發達的省份之一。海洋為江蘇提供了獨特的區位優勢和豐富的物產資源,海洋經濟也迅猛發展。2021年江蘇省海洋生產總值突破9 000億元[1],成為江蘇省國民經濟新的增長點。但同時,由于江蘇省海域地形地貌特殊,海洋環境脆弱,極易遭受海洋災害的侵襲[2-4]。1939年風暴潮災害造成江蘇死亡失蹤人數多達13 000多人;2000年特大風暴潮災害,導致640多萬人受災,直接經濟損失56.1億元[5]。江蘇海洋防災減災形勢嚴峻,海洋觀測預警報需求日趨迫切。

海洋觀測預警報作為海洋防災減災的重要技術支撐和保障,對江蘇高質量發展的支撐和保障作用將進一步凸顯,是海洋強國戰略的重要組成部分[6-8]。江蘇省海洋預警報業務自2006年啟動建設,2009年建成并投入運行,初步搭建了海洋預警報業務平臺,較好地完成了各類海洋環境常規和專項預報。為保障海洋預警報業務持續穩定運行和科學有序發展,加快江蘇省海洋觀測預警報能力建設,對現有海洋預警報業務平臺進行軟硬件升級改造,研制開發觀測預報業務支撐系統,在江蘇重點海域、港口新建海洋觀測設施,以滿足日益增長的海洋觀測預報發展需求,有效提升江蘇海域觀測預報服務保障能力,為海洋經濟發展、海洋防災減災、海洋環境保護、海洋突發公共事件應急處置提供科學依據,最大限度地保障人民群眾的生命財產安全,對發展江蘇海洋經濟、構建和諧社會具有重要作用和深遠意義。

1 平臺設計

1.1 建設目標

面向江蘇省海洋防災減災需求,本文依據江蘇省海洋預報業務發展和工作流程進行系統建設,以江蘇省海洋觀測數據為基礎,依托海洋數值預報模式研發釋用,利用信息化技術對多源觀測數據、預報信息進行有效整合,將預報技術、方法與數值預報結果進行集成,通過統一的軟件平臺,輔助一線預報人員開展人工分析、判別和產品制作,并開發多種渠道向社會公眾、政府機構、涉海企事業單位發布海洋預報產品,提供保障服務。

1.2 總體框架

江蘇省海洋預報制作平臺主要由3個子系統組成:預報資料匯交處理系統、主要城市海洋環境預報系統、文件傳輸協議(File Transfer Protocol,FTP)與郵件推送發布系統。系統模塊依據海洋預報業務流程進行功能設計:預報資料匯交處理系統包括數據同步、網格參考資料采集、觀測數據處理、數據質量控制、觀測數據監控、數據查詢統計、天文潮數據處理、數據入庫等功能;主要城市海洋環境預報系統包括觀測資料查詢顯示、參考資料顯示、數值預報產品可視化、數值預報產品釋用、交互式分析繪圖、預報產品制作、預報產品存儲統計;FTP與郵件推送發布系統包括FTP推送發布、郵件推送發布、發布查詢與統計、外部發送數據接口。平臺建設依靠基礎設施的支持,包括硬件環境、網絡環境、軟件環境和數據庫等。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構

1.3 建設內容

1.3.1 預報基礎資料匯交處理系統

海洋觀測預報數據是地方經濟建設和社會發展重要基礎數據之一,也是海洋觀測預報業務機構服務政府和社會公眾的一項重要內容[9]。以江蘇省海洋環境監測預報中心接收的常規觀測數據和外部預報參考資料為基礎,研發相關軟件系統完成資料接收、處理、質量控制和存儲管理,實現對數據接收、處理情況的監控,并對匯交的多源數據開展有效組織和分類管理,通過數據庫統一存儲,并按照業務需求向外部提供數據服務。

預報基礎資料匯交處理系統由觀測數據處理與質量控制、觀測數據監控與查詢統計、網絡參考資料采集、天文潮數據處理和數據庫及外部服務模塊組成。

1.3.2 主要城市海洋環境預報系統

依托國家及海區發布的數值預報指導產品和江蘇省自主的數值預報產品,結合江蘇省實際觀測數據,建立基于數值預報產品的預報釋用模型,形成主要城市海洋環境預報系統,為預報人員提供多要素、多種類的參考數據,結合釋用結果,輔助預報員完成江蘇省所轄連云港市、鹽城市、南通市的沿海潮位、海浪、海溫等要素預報產品和風暴潮、海浪等災害警報產品的制作、發布。

主要城市海洋環境預報系統由觀測數據查詢與顯示、參考資料顯示、數值預報產品可視化、數值產品釋用模型、交互式分析繪圖、預報產品制作和預報產品存儲統計模塊組成。

1.3.3 FTP與郵件推送發布系統

江蘇省海洋環境監測預報中心制作海洋環境預報、警報產品種類多,每類產品的發布渠道、方式不盡相同,需建立統一的產品發布系統進行整合、集成,便于維護管理和擴展,提高產品發布能力和管理效率。

預報產品發布系統由FTP推送發布、郵件發布和發送管理與統計模塊組成。

1.4 關鍵技術

1.4.1 基于地理信息(GIS)平臺的海洋觀測資料可視化技術

地理信息可視化是將可視化技術與地理信息數據相結合,利用計算機圖形軟硬件技術,把地理空間數據的圖形顯示與分析作為其基本功能。GIS平臺可視化技術包括地圖數據的可視化表示、空間數據分析結果可視化表示、查詢數據可視化表示、動態可視化表示、空間數據的二維可視化表示以及其他技術與可視化結合表示等不同的表達類型。基于GIS平臺的海洋觀測資料可視化技術結合GIS技術、遙感技術、數據庫技術等向海洋領域業務人員提供可視化服務,提供漫游、瀏覽及數據分析等功能[10]。

1.4.2 等值線節點序列自動提取技術

等值線是一種應用極廣的圖形,它是在二維平面上把一種空間分布現象中具有相同數值的點連接而成的圖形。由于等值線看起來非常直觀、形象,因此在科學和工程各個領域應用廣泛,是眾多領域成果表示的重要圖形之一。在海洋環境預報業務中,用于生成等值線的海洋環境信息數據一般是離散數據,這些離散數據可能是規則的網格數據,也有可能是任意隨機分布數據。

在可視化技術中,常采用的等值線抽取方法有2種:網格無關法和網格序列法。網格無關法的基本思想是首先通過給定等值線的起始點或先求出起始點,利用該點附近的局部幾何性質,計算該等值線的下一點;然后,利用已經求出的新點,重復計算下一點,直至到達區域邊界或回到原起始點。網格序列法是將原始數據構成網格,按網格單元的排列次序,逐一處理每一單元,尋找每一單元內相應的等值線段,在處理完所有單元后,就自然生成了該網格中的全部等值線。

等值線節點序列自動提取技術對等值線的生成與再編輯具有重要意義,同時也能夠輔助對海洋預報業務中現有的數值預報產品的重新加工和利用。等值線節點序列自動提取借鑒上述2種常用的等值線抽取方法,根據每一條等值線在其走向上的曲率變化或逐個網格中等值線的曲率值對比,判斷等值線拐點并提取拐點位置信息作為初始節點,然后根據初始節點按照業務需求進行等間隔加密,即可完成等值線節點序列的自動提取。

1.4.3 預報產品(文檔、報表)自動生成技術

海洋預報業務生產的終端產品,如預報單、警報單、會商PPT等,多數是基于通用文檔格式(如doc、pdf、xls等)的,在系統制作中要求能夠根據既定的模板實現產品的自動化生成,有效減輕預報員的工作壓力。同時,該技術能支持在不安裝Microsoft Office COM組件的條件下完成產品的自動制作,降低對某一軟件的依賴性。

2 系統主要功能

按照江蘇省海洋環境監測預報中心的海洋預報業務流程,系統的主要功能包括多源數據采集、交互式預報分析和產品制作、預報產品外部發送,系統功能流程如圖2所示。

圖2 系統功能流程

多源數據采集主要完成數據獲取、預處理,對需要共享的預報資料,包括海洋觀測資料、衛星遙感資料、數值預報產品資料、互聯網參考資料和本地觀測資料進行同步、采集、解析、解碼、數據提取、質量控制。

交互式預報分析和產品制作階段完成數據資料的接收、并在預報業務平臺客戶端軟件上開展應用,包括數據監控監視、資料顯示、信息預警、交互式分析等,同時,能夠通過平臺進行預報產品交換和語音會商,完成綜合預報分析過程,制作預報警報產品,支持預報結果的審核、訂正、多渠道多手段發送。

預報產品外部發送階段完成預報、警報產品的外部發送、訂閱,預報業務平臺以產品接收用戶為核心,對產品用戶進行關聯配置,并實現產品的自動化、多渠道、一鍵式推送。

3 江蘇海洋預報制作平臺業務應用

自江蘇海洋預報制作平臺業務化運行以來,運行穩定、操作方便,有效提升了江蘇海域觀測預報服務保障能力,在各類預警服務中發揮了重要作用。與過去利用多個外部軟件制作發布預報產品相比,該平臺具有顯著優勢:(1)性價比高。該平臺不依賴任何專業軟件,僅通過Chrome等瀏覽器即可穩定運行,易維護易擴展,有效降低成本的同時又提升了平臺的可操作性。(2)開放性高。該平臺將各類海洋數據資料和服務功能跨地區進行匯交處理與共享,預報員可通過互聯網在不同地域登錄系統,實時獲取可視化的海洋觀測數據和預報參考資料,為預報員提供便捷豐富的預報信息與數據分析服務,方便決策管理。(3)交互性高。提供交互式預報制作,簡化步驟,支持人工對預報符號的輸入、歷史預報結果的加載、產品預覽、輸出,輔助完成江蘇省海浪預報圖、江蘇海洋環境預報產品的分析與制作,極大地降低了人工錯誤率和預報工作量,使預報產品的制作發布更為快速、高效、準確。

以2022年為例,在海洋常規預報方面,通過江蘇海洋預報制作平臺全年累計制作發布江蘇海域海洋環境預報365份、海上絲綢之路環境保障預報365份、南通沿岸海域海洋環境預報365份、連云港海域海洋環境預報365份、鹽城海域海洋環境預報365份。這些預報服務產品通過FTP、郵件、傳真、短信等方式供用戶使用。江蘇海域環境預報圖和預報單示例如圖3—4所示。

圖3 江蘇海域環境預報圖制作

圖4 江蘇海域環境預報單制作

在海洋警報方面,江蘇海洋預報制作平臺可查詢海洋環境實時、延時觀測資料,檢索國家海洋臺站、浮標實況資料,輔助完成海浪、風暴潮等綜合預報分析,提供海浪、風暴潮警報等產品的制作和發送。以2022年為例,通過江蘇海洋預報制作平臺成功應對33次天氣過程,累計制作發布海浪消息33期、海浪藍色警報35期、海浪黃色警報7期、海浪橙色警報1期、解除警報9期;風暴潮消息3期、風暴潮藍色警報9期、解除警報3期;共計發送海洋警報傳真3 400份、郵件2 900封、短信13 700人次。警報圖和警報單的制作界面如圖5—7所示。

圖5 海浪警報圖制作

圖6 海浪警報單制作

圖7 風暴潮岸段警報圖制作

4 結語

本文系統介紹了江蘇海洋預報制作平臺的設計、主要功能及業務化應用。該平臺利用GIS平臺可視化、等值線節點序列自動提取、預報產品自動生成等技術,對多源觀測數據、預報信息進行匯交處理,以實現多源數據采集、交互式預報分析和產品制作、推送發布等一系列功能,有效提升了江蘇海域觀測預報服務保障能力。

受項目建設周期和條件限制,該平臺還具有一定局限性。

(1)江蘇海洋預報制作平臺專業性較強,未來可適當提升普及性,部分模塊對社會公眾開放,方便社會公眾通過網絡訪問該平臺,實時了解江蘇海域的實況數據和預警信息,并針對特定用戶制定個性化交互功能,提供更加豐富、易懂易用的產品服務。

(2)該平臺缺少視頻監視功能,今后可進一步開發視頻監視模塊,使預報員可以更直觀地對附近海洋觀測站點、海面漂浮物等情況進行實時監視,實現自動化無人值守,保障江蘇海域和儀器觀測設備的安全穩定。

隨著全國海洋預警監測工作的不斷推進,研究人員將繼續完善江蘇海洋預報制作平臺,不斷豐富預報產品,如后期可結合生物要素(滸苔、赤潮等局部性災害),形成觀監一體的綜合性預警監測平臺,進一步提高信息化水平,為江蘇海洋預警監測和防災減災工作提供更有利的技術支撐和保障。